淺談天線的起源　

淺談天線的起源

誰(shuí)發(fā)明了天線？淺談天線的起源

大家一定都很熟悉天線的英文名稱一般叫做 ANTENNA；其實(shí)，它的另一個(gè)名稱叫 AERIALS。所謂 AERIALS 就是一條用來(lái)發(fā)射或接收無(wú)線電訊號(hào)的長(zhǎng)導(dǎo)線。從這個(gè)名稱可以看出來(lái)，實(shí)驗(yàn)家們?cè)谶€沒(méi)有把天線發(fā)揚(yáng)光大之前，天線原來(lái)是什么樣子。

下面試著以「以古鑒今」的方式來(lái)了解天線，最主要的是希望從中可以看到天線的有趣實(shí)驗(yàn)與動(dòng)腦筋的精神，最后要簡(jiǎn)略地介紹家用電視天線的發(fā)展歷史......

有趣的天線史

「威爾」發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)線的妙處

我們一路回到最早期的無(wú)線電時(shí)代。在電力未發(fā)明以前，所有的機(jī)器都以煤油供應(yīng)，例如以煤油為動(dòng)力的冰箱就是很好的證明。

早期有位實(shí)驗(yàn)家，名叫「威爾」 (Whitfield Whire)，他發(fā)明的無(wú)線電發(fā)射機(jī)可以發(fā)出很大的火花，但訊號(hào)卻無(wú)法發(fā)射出去。實(shí)際上他發(fā)明的發(fā)射機(jī)是以火花放電原理產(chǎn)生的無(wú)線電。但是讓他最吶悶的是，試用了無(wú)數(shù)的方法，就是無(wú)法接收到這發(fā)射機(jī)所發(fā)射的訊號(hào)。后來(lái)是收到了，但訊號(hào)很弱。

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證電波是否可以穿過(guò)桌面，他把發(fā)射機(jī)擺在桌子底下，為了取得訊號(hào)，接收機(jī)被吊在桌子上方的天花板上，令他感到意外的是，吊著接收機(jī)的這一條導(dǎo)線，竟然使接收機(jī)的效率好了許多，因此，他就把吊著的導(dǎo)線留在那里，從此，他就稱他的接收機(jī)為「無(wú)線電接收機(jī)」 (WIRELESS SET)，他并且把這一份結(jié)果整理成一份報(bào)告，發(fā)表在美國(guó)的 QST 雜志上 (世界上最早的一份業(yè)余無(wú)線電雜志 )。

「古浪」發(fā)現(xiàn)接地的好處

在這好幾年之后，有一位名叫「古浪」 (Garfield Grownd) 的實(shí)驗(yàn)家發(fā)現(xiàn)到，供電給桌子上的臺(tái)燈有兩條導(dǎo)線，但是接收機(jī)的天線只有一條，為什么只有一條天線可以表現(xiàn)得那么好，因此他就針對(duì)這個(gè)問(wèn)題繼績(jī)探討下去。

這個(gè)問(wèn)題自然對(duì)他困擾不已，但是事情就是如此之巧，在后來(lái)他買了一部車子后，他發(fā)現(xiàn)車燈也是使用一條導(dǎo)線而已，當(dāng)然還有另一條線是接車子的外殼。這就使他想到一個(gè)問(wèn)題：若同樣把發(fā)射機(jī)的其中一條導(dǎo)線接到一個(gè)共同的接點(diǎn)，是不是會(huì)比較好？所以他就用了一條金屬管打入地底下，并且拉出一條線接到發(fā)射機(jī)上頭，這竟然使訊號(hào)增強(qiáng)了許多，同樣地，他也把這重要的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在 QST 雜志上。他在該文中建議，每一座業(yè)余無(wú)線電臺(tái)，都需要有「接地」 (GROWND)。
「戴柏」發(fā)明雙偶極天線

天線的下一個(gè)主要突破是由「戴柏」 (Diogenes Dipole) 發(fā)明的。

有一天，當(dāng)?shù)掀?(戴柏的昵稱 ) 走過(guò)一個(gè)游樂(lè)場(chǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐莫{子會(huì)員正在玩蹺蹺板，他發(fā)現(xiàn)這些獅子會(huì)員都很快地能保持平衡，想必其中有人運(yùn)力，使蹺蹺板在極短的時(shí)間內(nèi)保持平衡。

迪普回到家后，馬上拿了一條導(dǎo)線接上機(jī)器外殼，另一條導(dǎo)線則接到發(fā)射機(jī)輸出，這就成為一組新的天線。其實(shí)，此天線也就是后來(lái)大家所熟知的「雙偶極」 (DIPOLE) 天線，這是為了記念戴柏，而以他的名字來(lái)命名。
「郝柏思」發(fā)明虛接地

在 QST 雜志上讀過(guò) Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天線專論之后，一位名叫「郝柏思」 (Count Herpoise) 的歐洲貴族，發(fā)現(xiàn)他的臺(tái)燈不只兩條線，而是三條線，因?yàn)檫@國(guó)家的電力系統(tǒng)采用 330V，這雖很自然，但是他想到，為什么北美地區(qū)使用 220V 供電，也要有三條線。這也就促成他發(fā)明了「虛接地線」，這理論常時(shí)很少人知道，甚至有人對(duì)這理論不以為然。不過(guò)，今日對(duì)天線有興趣者，必定知道，虛性接地是必須的，而這些「虛接地」通常也稱做 COUNTERPOISE，用發(fā)明者的名字以資紀(jì)念。
「崔伯」首創(chuàng)較短的雙偶極天線

也在 QST 上讀過(guò) Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天線專論的「崔伯」 (Von Trap)，由于他家空間不夠大，無(wú)法架設(shè)雙偶極天線，所以他沿著天線，每隔幾英呎左右就繞幾個(gè)圈，好把過(guò)長(zhǎng)的部份纏繞起來(lái)，并且在纏繞的電感上并聯(lián)電容，這就是「崔伯雙偶極天線」 (TRAP Dipole) 的誕生。
「尼馬奇」發(fā)明駐波比表

從美國(guó) QST 雜志發(fā)行以來(lái)，有關(guān)天線的發(fā)展史中，最富傳奇色彩的是「尼馬奇」 (Morries Nimatch)，牠的朋友們都昵稱他為 Mo。牠是第一位提出天線理論，探討有關(guān)被饋送到長(zhǎng)狀天線的功率，有多少不會(huì)被輻射出去的物理學(xué)家。他為了徹底了解這一理論，想知道功率發(fā)射出去約有多少，被反射回來(lái)約有多少，因而發(fā)明了「駐波比表」 (駐波比 SWR 的現(xiàn)在英文正名為 Standing Wave Ratio。當(dāng)時(shí)是 See What Returns 的縮寫，意思是有多少功率被折返。)

為了紀(jì)念此為駐波比表發(fā)明者，以前曾有人把駐波比表稱做 MoNimatch。至今，有關(guān)駐波比表的制作，依然以此為基礎(chǔ)。

QST 雜志依例報(bào)導(dǎo)了極為成功的 Monimatched Whire Grownded Count Herpoise Balanced-Lion-fed Trap Dipole 天線。從上列一路發(fā)展下來(lái)，像極了印度教的導(dǎo)師精神。

最后一位承襲者是「雷頓」 (Raoul Random)，他發(fā)現(xiàn)蹺蹺板上兩端物體互異，但是調(diào)整距離也可以達(dá)到平衡，天線應(yīng)該也可以像這樣，以人工方式調(diào)整，達(dá)到平衡 (匹配 )。

從上面的一系列發(fā)展下來(lái)，下面對(duì)天線的發(fā)展有個(gè)總結(jié)：

無(wú)線電機(jī)器．有一條導(dǎo)線接著之后，性能好的不得了，這導(dǎo)線就稱為天線 (Aerial)。 ——威爾 (WHIRE)

如果把上述無(wú)線電機(jī)器的外殼接地．那性能就更妙。 ——古浪 (GROWND)

如果天線旁有些巧妙的導(dǎo)線安排，則無(wú)線電機(jī)器的接收，簡(jiǎn)直妙不可言。——郝柏思 (COUNT HERPOISE)

從無(wú)線電機(jī)器拉出去的天線，若是兩條一字拉開．使電力呈平衡狀是最好的。——戴柏 (DIPOLE)

天線是否平衡，可以由簡(jiǎn)易的駐波比表測(cè)量出來(lái)。——尼馬奇 (NIMATCH)
在雙偶極天線能上，可以把部份長(zhǎng)度纏繞成電感狀，使天線能變短。 ——崔柏 (TRAP)

天線是否平衡，不必光看天線在形體上是否對(duì)稱，可以設(shè)法人工調(diào)整。——雷頓 (RANDOM

「八木-宇田」(YAGI-UDA)天線

談到無(wú)線電通訊，以它的發(fā)展史來(lái)看，無(wú)線電科學(xué)的發(fā)展是一項(xiàng)集體的創(chuàng)作，而不是個(gè)人的發(fā)明。所以至今我們也沒(méi)有聽說(shuō)過(guò)，無(wú)線電是誰(shuí)發(fā)明的。舉幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子，我們說(shuō)「莫耳斯」 (Morse) 發(fā)明了電報(bào) (Telegraph)；「貝爾」 (Bell) 首創(chuàng)電話 (Telephone)；而無(wú)線電報(bào) (Wireless Telegraph) 則是「馬可尼」 (Marconi) 優(yōu)先使用。但是無(wú)線電的發(fā)展卻是在幾乎同一時(shí)間，由分布在世界各個(gè)不同角落的專家的集體創(chuàng)作。

「八木 - 宇田天線」早被廣泛應(yīng)用，對(duì)無(wú)線電有興趣者，沒(méi)有人不熟悉。家用電視的接收天線、商用的通訊系統(tǒng)都廣泛使用著它。早期又稱「定向天線」，或叫「寄生天線」，后來(lái)才叫作「八木 - 宇田天線」，不過(guò)，習(xí)慣上，一般很少人這樣稱呼，大家還是一直稱作「八木天線」。這是由日木兩位科學(xué)家「八木秀次」 (Hidetsugu Yagi) 教授及「宇田新太郎」 (Shintaro Uda) 講師所發(fā)明，他們是早期的電力工程專家，他們的研究主題是想找出比較理想的方法，好讓短波振蕩器的訊號(hào)可以有效地輻射出去。

「八木」先生，是至今全世界的業(yè)余無(wú)線電家及無(wú)線電通訊專家還常掛在嘴邊的名字，可以說(shuō)耳熟能詳。「八木」于 1886 年 1 月 28 日誕生于日本大阪。在這之前 2 年，德國(guó)科學(xué)家「赫芝」 (Heinrich Hertz) 才剛開始做電磁波的產(chǎn)生、發(fā)射、及檢波方面的試驗(yàn)。90 年之后，世界上不論是多大的「寄生天線」，無(wú)不以「八木天線」來(lái)稱呼。

「八木」小時(shí)候?qū)ξ乃嚨呐d趣遠(yuǎn)超過(guò)科學(xué)，但是自從接觸了物理學(xué)及深入了解一些物理現(xiàn)象后，便對(duì)科學(xué)逐漸感興趣。他進(jìn)入東京皇家大學(xué) (現(xiàn)今的東京大學(xué) )就讀；24 歲時(shí)，取得工程學(xué)位。之后任教于 SENDAI 高工，執(zhí)鞭四載之后，取得教育部獎(jiǎng)學(xué)金，負(fù)岌歐洲，游學(xué)深造。也因有此因緣際遇，得以接觸當(dāng)時(shí)正在歐洲發(fā)展中的一些重要的無(wú)線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

「八木」先在德國(guó)習(xí)藝，專研發(fā)射機(jī)的共振變壓器，與「巴豪森」 (Heinrich Barkhausen) 共事，研究如何由尖端火花放電，來(lái)作為 CW 振蕩器?！赴秃郎故菍ｉT研究振蕩器的，后來(lái)他也發(fā)明了由真空管制作的極高頻振蕩器，這振蕩器也是后來(lái)「宇田」拿來(lái)做極高頻傳導(dǎo)研究的工具之一。

1914 年爆發(fā)第 - 次世界大戰(zhàn)，「八木」的研究工作也被迫中斷，于是他離開德國(guó)，轉(zhuǎn)往英國(guó)。也因?yàn)檫@戰(zhàn)事，才得以和「佛來(lái)明」 (J.A.Fleming) 在倫敦共事；當(dāng)時(shí)，「佛來(lái)明」已經(jīng)發(fā)明真空二極管，而且它已被應(yīng)用在無(wú)線電訊號(hào)的檢波上。

與「佛萊明」共事兩年之后，「八木」又轉(zhuǎn)往美國(guó)，在哈佛大學(xué)與「皮爾斯」 (Jeorge W. Pierce) 共事，當(dāng)時(shí)「皮爾斯」專長(zhǎng)于晶體檢波，他也是有名的「皮爾斯振蕩器」發(fā)明者。在美期間，「八木」加入了「無(wú)線電工程學(xué)會(huì)」 (Institute of Radio Engineers)，它是現(xiàn)今 IEEE 的前身，也因此，「八木」在回到日本后，還能取得在美國(guó)的學(xué)報(bào)上發(fā)表研究成果的快捷方式。

在美期間，「八木」以英文為文，發(fā)表了兩篇研究報(bào)告。一篇是討論有關(guān)他最拿手的共振變壓器線路；另一篇?jiǎng)t是比較使用交流與直流電源，以不同的火花放電方式，所產(chǎn)生的無(wú)線電報(bào)的音調(diào)。

「八木」的學(xué)生-「宇田」

「八木」的一位學(xué)生叫「字田」，他利用二極真空管制作的振蕩器，產(chǎn)生了波長(zhǎng) 4.4 公尺的訊號(hào)，也是利用這個(gè)工具，他把這訊號(hào)加在一只定向天線上做電波傳導(dǎo)試驗(yàn)，這天線也就是「八木天線」或稱作「八木 - 宇田天線」。

「宇田」開始研究天線，他首先測(cè)量環(huán)狀天線的輻射圖案，由于追根究底的實(shí)驗(yàn)精神，他想改善天線的指向性，因此把一個(gè)共振頻率梢低的寄生組件，擺在環(huán)狀天線附近，接著把環(huán)狀改成直條狀寄生組件，擺的數(shù)目越多，測(cè)得的訊號(hào)也越強(qiáng)。這聽來(lái)是不是很熟悉？這就是「八木 - 宇田天線」的由來(lái)。

「宇田」的天線實(shí)驗(yàn)，也從環(huán)狀的天線組件改成雙偶極，把雙偶極天線及寄生組件以垂直方式擺放。緊接著，「宇田」做各種不同條件變量下對(duì)天線指向性影響的深入分析，包括了：寄生組件的長(zhǎng)度、寄生組件的彼此間距、各種不同的寄生組件形狀、接收天線的架高、發(fā)射天線的架高、及導(dǎo)向組件的數(shù)目等。

「宇田」的實(shí)驗(yàn)方法非常簡(jiǎn)單，他利用標(biāo)準(zhǔn)的雙偶極天線，加裝晶體檢波器，并利用一只電流表來(lái)記錄訊號(hào)的強(qiáng)度。他把實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄下來(lái)，利用圖繪的方式把它表達(dá)出來(lái)，你看了一定很眼熟是不是？因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)的天線工程學(xué)上，至今依然采用類似的圖案方式來(lái)描繪指向天線，參看圖 1。

「宇田，也從中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反射組件是波長(zhǎng)的一半，且與輻射組件保持四分之一波長(zhǎng)的距離時(shí)，天線的增益最佳，要保持這種狀況，在加入導(dǎo)向組件時(shí)，導(dǎo)向組件的長(zhǎng)度，要比半波長(zhǎng)少百分之十的長(zhǎng)度，與輻射組件的距離約三分之一波長(zhǎng)左右最理想。

「宇田」的研究成果，最初發(fā)表在日本 1926 年二月的「皇家學(xué)院」學(xué)術(shù)刊物 (日本學(xué)士院記事； Proceedings of the Imperial Academy of Japan) 上，該文名為「尖銳指向的電波投射裝置」 (Projector of the sharpest beam of electric waves)，文中詳細(xì)討論了垂直雙偶極定向天線的理論。第二篇的研究報(bào)告，只有「宇田」俱名，發(fā)表在日本 1926 年三月份的「日本電力工程學(xué)刊」 (The Journal of the IEE of Japan) 上。名為：「短波定向發(fā)射」，詳細(xì)描述「宇田」的研究成果，他把三只定向天線的最佳尺吋安排，用在發(fā)射時(shí)，稱為「三角共生反射器」 (Trigonal Reflector)。用在接收時(shí)，稱為「三角共生集波器」 (Triginal Collector)。

「宇田」對(duì)三角共生反射器的描述如下：『如果能有一反射組件與導(dǎo)向組件，與輻射組件前后一字排開時(shí)，這天線的指向性會(huì)大大地提高』。接著他建議，若是這三角共生反射器，與一群名為「波管」 (Wave Canals) 的導(dǎo)向組件并用，又可以增加這天線的指向性，他把這天線命名為「電波投射裝置」 (Wave Projrctor)。

「八木」為這裝置取得專利權(quán)，并把這項(xiàng)專利讓渡給「美國(guó)無(wú)線電公司」 (RCA)，這使戰(zhàn)后發(fā)展出來(lái)的電視科技，普遍使用了「八木天線」，作為電視接收天線。

「八木 - 宇田天線」于 1932 年在日本正式投入商業(yè)應(yīng)用范圍。在飛島 (TOBISHIMA) 與山形縣酒田市 (SAKATA) 之間的官方無(wú)線電線路正式啟用，兩地距離約有 40 公里，這利用了 2 公尺到 1O 公尺之間的頻率，在兩地建立了無(wú)線電電話業(yè)務(wù)。而新瀉市與佐渡之島問(wèn)，約 50 公里遠(yuǎn)的通訊也隨之建立。而遠(yuǎn)在歐洲，也正利用「八木 - 宇田」天線，與雷達(dá)并用，發(fā)展無(wú)線電著陸導(dǎo)航技藝。
「八木-宇田」天線發(fā)跡于日本，應(yīng)用于歐美

第二次世界大戰(zhàn)后的電視發(fā)展，大量采用了「八木 - 宇田」天線，這才奠立了八木 - 宇田天線的商業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)。1951 年，「八木」教授加入了日本官方制定電視標(biāo)準(zhǔn)的委員會(huì)，成為杰出的顧問(wèn)?！赴四咎炀€公司」也在此時(shí)成立，「八木」先生任總裁，「八木 - 宇田」天線也成為世界上廣用的電視接收天線。

從第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，在新加坡發(fā)現(xiàn)的一本手冊(cè)，名為「紐曼筆記」，參看圖 4，可以看出來(lái)這一現(xiàn)象，就是「八木 - 宇田天線」已被應(yīng)用在軍事上。當(dāng)時(shí)在新加坡看過(guò)這本冊(cè)子的日軍，無(wú)不個(gè)個(gè)愕然。從該冊(cè)子看來(lái)，「八木 - 宇田天線」已被應(yīng)用在雷達(dá)上。由于日不戰(zhàn)敗后，民生物資缺乏，設(shè)備也被毀壞，一切技術(shù)及研究那陷入停頓狀態(tài)。

英軍占領(lǐng)新加坡，宣稱百年不破。那知，常時(shí)正值銳不可當(dāng)?shù)娜哲?，不到三個(gè)月就把新加坡拿下。也因?yàn)檫@個(gè)機(jī)緣，從當(dāng)時(shí)紐曼軍部隊(duì)的雷達(dá)手之中，拿到了這份「紐曼筆記」，這冊(cè)子當(dāng)中就有 YAGl ARRAY 的記載，
結(jié)語(yǔ)

「八木」先生家中保存的三十年研究檔案資料，及他個(gè)人的圖書室，都?xì)в?194s 年四月的束京大炮轟。「八木」退休之后，成為東北大學(xué)及大阪大學(xué)的名譽(yù)教授。不過(guò)「八木」依然極為活躍，他身為「八木天線公司」的特別顧問(wèn)，也是日本電視廣播公司、東京電力快鐵、及各種科學(xué)單位與政府部門的顧問(wèn)，他曾獲得日本天皇的日本一等文化勛章。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，「宇田」繼續(xù)研究「八木 - 宇田天線」，并且在 1954 年與 Y.Mushiake 合著了一本名為「八木 - 宇田天線」的教科書，直到 1960 年從東京大學(xué)退休為止。在 1950 年代，「宇田」一直研究著導(dǎo)波管。在 1955 到 1958 年之間，曾赴印度，為了聯(lián)合國(guó)文教科技組織 (UNESCO) 的微波通訊計(jì)劃工作。